热超声倒装过程的热—力建模和多参量仿真

论文摘要

工业界在长期工业生产中积累了丰富的工艺认识和工艺参数选择的经验,并发展了各种形式的微电子工业键合设备。但对其原理尚缺乏系统阐明,不少与核心机理有关的重要现象,较多停留在定性的描述上,远不能适应高密度封装对互连技术提出的要求。各种物理、化学、力学作用下,对微小键合凸点的各种参数进行实时测试相当困难,用有限元软件进行仿真是解决以上问题的有效手段。本文利用热超声倒装键合过程的实验结果,作为仿真的初始条件,建立了热超声倒装过程的有限元仿真模型,对热超声倒装过程中的微小键合凸点进行了多参量仿真。主要研究创新点如下:1、在超声波作用过程中,材料发生软化与否只对应力的大小有影响,而对其分布并无明显影响;界面上不同的摩擦状况对应力的分布及大小均有影响:摩擦系数越大,界面上所产生的应力集中越大;2、键合区瞬态温度特性会影响到键合质量,不同的键合工艺参数,使得界面的瞬态温度特性有明显不同。键合温升与键合压力和超声波振幅密切相关,温度斜率随键合压力和超声波振幅的增大而增大。在超声波振幅为0.7μm,键合压力为30g,超声波加载9毫秒时,界面上的温度升高了74.5度;3、利用仿真所获得的金凸点界面上的塑性应变云图和历程图,结合试验结果,对界面上键合强度生成位置进行了分析;4、在超声波振幅和摩擦力的联合作用下,界面上产生应力集中,应力值被放大,其中正应力增加了2倍,切应力增加了0.7倍。强大的应力使材料发生塑性变形,产生塑性流动,为界面生成键合强度提供良好的条件;以上的仿真结果,对研究键合机理,提高键合质量,有着重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 热超声倒装芯片连接工艺的国内外研究现状
• 1.2.1 热超声倒装芯片连接工艺的技术国内外研究现状
• 1.2.2 热超声倒装芯片连接工艺的理论研究现状
• 1.3 热超声键合过程的数值模拟技术
• 1.3.1 热超声键合过程的数值模拟技术现状
• 1.3.2 大型商用有限元软件MSC.marc简介
• 1.4 课题研究内容、方法与路线
• 1.4.1 课题研究内容
• 1.4.2 课题研究方法与路线
• 第二章 芯片封装的连接方式及工艺流程
• 2.1 芯片封装技术
• 2.1.1 芯片封装的连接方式分类
• 2.1.2 芯片封装技术的发展趋势
• 2.2 热超声倒装键合设备与性能参数
• 2.2.1 热超声倒装芯片键合机
• 2.2.2 热超声键合的特点
• 2.3 热超声键合的工艺参数和工艺流程
• 2.3.1 键合的工艺参数
• 2.3.2 热超声倒装过程的工艺流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 热超声倒装键合参数对键合强度的影响
• 3.1 键合参数对超声引线键合强度的影响
• 3.1.1 超声功率对热超声倒装键合强度的影响
• 3.1.2 键合压力对热超声倒装键合强度的影响
• 3.1.3 键合温度对热超声倒装键合强度的影响
• 3.1.4 键合时间对热超声倒装键合强度的影响
• 3.2 键合的典型失效形式
• 3.3 本章小结
• 第四章 热超声倒装过程的有限元建模
• 4.1 热超声倒装的建模中所用到的有限元方程
• 4.2 热超声倒装过程中传热的数值模型
• 4.2.1 初始条件和边界条件
• 4.2.2 瞬态传热问题的解法
• 4.3 变形与传热的耦合分析技术
• 4.4 热超声倒装过程仿真所用的摩擦模型
• 4.5 热超声倒装仿真模型的建立
• 4.5.1 基本假设条件
• 4.5.2 热超声倒装过程有限元模型的建立
• 4.6 热超声倒装的有限元模型
• 4.7 本章小结
• 第五章 热超声倒装过程的多参量仿真结果分析
• 5.1 材料发生软化前后对界面上应力分布的影响研究
• 5.2 不同的摩擦系数对界面应力分布及大小的影响
• 5.3 不同键合参数对温度场的影响
• 5.4 金凸点的塑性变形及键合位置分析
• 5.5 切向位移加载对应力的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 6.2.1 热超声键合机理有待进一步研究
• 6.2.2 有待建立金凸点材料在超声波作用下的材料本构方程
• 6.2.3 实现热超声倒装键合过程的真正仿真
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的主要研究成果